Vier Stufen der Methangärung (anaerobe Vergärung): von der Hydrolyse bis zum Methan

Die Methangärung (anaerobe Vergärung) ist ein vierstufiger, anaerober Abbau organischer Substanz: Die Hydrolyse spaltet Polymere in lösliche Moleküle, die Acidogenese wandelt diese in organische Säuren und Alkohole um, die Acetogenese setzt diese Produkte zu Acetat, Wasserstoff und CO₂ um, und die Methanogenese erzeugt daraus Methan. Jede Stufe wird von anderen Gruppen von Mikroorganismen durchgeführt, die im Gleichgewicht zusammenwirken müssen — und dieses Gleichgewicht, nicht ein einzelner Parameter, entscheidet über die Stabilität der Biogasanlage.

Stufe 1: Hydrolyse

Hydrolytische Bakterien setzen extrazelluläre Enzyme frei, die große Moleküle in lösliche zerlegen: Proteine in Aminosäuren, komplexe Kohlenhydrate in Einfachzucker, Fette in Glycerin und langkettige Fettsäuren. Bei faserreichen Materialien ist dies die geschwindigkeitsbestimmende Stufe, da Cellulose, Hemicellulosen und insbesondere Lignin schwer zugänglich sind. Lignin wird unter anaeroben Bedingungen praktisch nicht abgebaut und umgibt die Cellulose, wodurch es den Zugang der Enzyme erschwert. Deshalb haben Zerkleinerung, Verweilzeit (HRT) und Vorbehandlung (in separaten Artikeln beschrieben) gerade auf diese Stufe den größten Einfluss.

Stufe 2: Acidogenese

Die Hydrolyseprodukte werden zu flüchtigen Fettsäuren (Essig-, Propion-, Butter- und Valeriansäure), Alkoholen, Wasserstoff und CO₂ vergoren. Acidogene Bakterien wachsen schnell und tolerieren breite pH-Bereiche, sodass diese Stufe bei übermäßiger Dosierung leicht abbaubaren Substrats den nachfolgenden Stufen „vorauseilt“. Säuren reichern sich an, der pH-Wert sinkt — dies ist der Mechanismus hinter den meisten Versauerungen.

Stufe 3: Acetogenese

Acetogene (syntrophe) Bakterien oxidieren Propion- und Buttersäure sowie Alkohole zu Acetat, Wasserstoff und CO₂. Diese Reaktionen sind thermodynamisch nur bei einem sehr niedrigen Wasserstoffpartialdruck möglich — dafür sorgen Methanogene, die H₂ verbrauchen. Diese Abhängigkeit wird als interspezifische Syntrophie bezeichnet; deshalb ist Propionat mitunter das erste Anzeichen für Störungen.

Stufe 4: Methanogenese

Methanogene sind Archaeen, keine Bakterien. Die beiden Hauptwege:

• acetoklastisch — Spaltung von Acetat in CH₄ und CO₂ (unter anderem durch die Gattungen Methanosaeta, Methanosarcina); nach häufig zitierten Schätzungen ist dieser Weg für den größeren Teil des gebildeten Methans verantwortlich,
• hydrogenotroph — Reduktion von CO₂ mit Wasserstoff zu CH₄; dieser Weg dominiert unter anderem bei hohen Ammoniakkonzentrationen, wenn acetoklastische Methanogene gehemmt werden und Acetat syntroph zu H₂ und CO₂ oxidiert wird.

Methanogene wachsen langsam (mit Verdopplungszeiten im Bereich von Tagen) und reagieren empfindlich auf Temperaturänderungen, pH-Wert, Sauerstoff und Hemmstoffe. Werden sie bei zu kurzer Verweilzeit (HRT) aus dem Gärraum ausgewaschen, kommt der Prozess zum Erliegen.

Was sich daraus für die Praxis ergibt

Zusammensetzung des Biogases

In landwirtschaftlichen Biogasanlagen enthält Biogas in der Regel ca. 50–65% CH₄ und 35–50% CO₂ sowie Spuren von H₂S (je nach Substrat von einigen Dutzend bis zu mehreren Tausend ppm), Wasserdampf und geringe Mengen NH₃. Der Methangehalt hängt von der Substratzusammensetzung ab: Fette und Proteine liefern Gas mit einem höheren Gehalt an CH₄ als Kohlenhydrate.

So wenden Sie dieses Wissen an

1. Dosieren Sie schrittweise — führen Sie Änderungen der Dosiermenge und der Zusammensetzung des Substratmixes über Tage, nicht über Stunden ein.
2. Messen Sie mehrere Kennwerte gleichzeitig (pH, FOS/TAC, Säuren, Gaszusammensetzung), da jeder auf eine andere Stufe hinweist.
3. Passen Sie die Behandlung an das Substrat an — faserreiches Substrat erfordert Zerkleinerung und mehr Zeit, leicht abbaubares Substrat eine geringere Belastung und eine höhere Pufferkapazität.
4. Achten Sie auf Spurenelemente — die Enzyme der Methanogenen enthalten unter anderem Nickel und Kobalt, deren Mangel die letzte Stufe begrenzt.

Das Modell ADM1 (Batstone et al., 2002) bildet dieses Schema in Gleichungen ab und ist bis heute die Grundlage der meisten Prozesssimulationen.

Energie- und Massenbilanz im Überblick

Beim anaeroben Abbau bleibt der größte Teil der chemischen Energie des Substrats im Methan erhalten: Nur ein kleiner Teil wird für das Biomassewachstum verwendet, weshalb der Schlammzuwachs im Fermenter im Vergleich zu aeroben Prozessen gering ist. Die Gaszusammensetzung hängt vom Substrat ab: Kohlenhydrate liefern Biogas mit einem geringeren Gehalt an CH₄ als Fette und Proteine. Methoden zur Abschätzung des theoretischen Potenzials (Buswell-Gleichung) beschreiben wir in einem separaten Artikel über BMP.

Die häufigsten Missverständnisse zum Prozess

• „Mehr Substrat bedeutet mehr Gas.“ Bis zu einer bestimmten Grenze stimmt das, doch eine Überlastung der Acidogenese stört die Methanogenese und der Ertrag sinkt.
• „Ein Kennwert genügt.“ pH, FOS/TAC, Säuren und Gaszusammensetzung beschreiben unterschiedliche Stufen.
• „Mikroorganismen gewöhnen sich an alles.“ Eine Anpassung ist möglich, erfordert aber Zeit und schrittweise Veränderungen.
• „Lignin lässt sich mit mehr Zeit abbauen.“ Unter anaeroben Bedingungen praktisch nicht; erst physikalische und chemische Verfahren helfen.

Ein gutes Verständnis der Stufen ermöglicht es, den Substratmix zu planen, die Vorbehandlung auszuwählen und die Ergebnisse von BMP-Tests zu interpretieren, in denen sowohl die Verzögerungsphase (Anpassung) als auch die langsame Gasfreisetzung aus schwerer abbaubaren Fraktionen erkennbar sind.

Checkliste: Ist der Prozess im Gleichgewicht?

• pH-Wert im anlagentypischen Bereich und ohne Abwärtstrend,
• FOS/TAC nach Änderungen der Dosiermenge stabil oder rückläufig,
• Propionat unterhalb der für die Anlage festgelegten Alarmschwelle,
• Anteil an CH₄ im Biogas im Einklang mit den bisherigen Werten für den jeweiligen Substratmix,
• Temperatur im Gärraum mit einer Genauigkeit von ca. ±1 °C gehalten,
• kein Schaum und keine Schwimmdecke, die das Durchmischen erschwert.